基于细胞骨架纤维结构与血管流体环境耦合数值建模的循环肿瘤细胞迁移机制研究

The migration of circulating tumour cell (CTC) in blood vessel is a significant process in cancer metastasis, and its internal mechanism needs to be deeply explored . By constructing a numerically three-dimensional fluid-structure interaction cell model, key factors in cell migration can be selected, so as to analyse CTC abnormal mechanical response. The mechanism of fibre remodelling within cell under the influence of extracellular fluid environment will also be unveiled. To achieve these, the multi-scale and nonlinear constitutive law for CTC cytoskeleton fibre structure is firstly defined. By incorporating the adhesion force between the cell and the vessel wall, fluid-structure interaction is simulated for CTC migrating in various geometries of pipes using the hybrid immersed boundary finite element method. The stress-driven fibre reorientation is studied and hence, realize the dynamic simulation of cell deformation and cytoskeleton remodelling. The project integrates the nonlinear single cell continuum model in FSI analysis under a three-dimensional numerical framework, and therefore, reproduces the dynamic fibre remodelling. This study is highly interdisciplinary. Its findings could be instructive for cancer early detection and disease analysis. And it could provide scientific basis for drug and interventional therapies that cutting off or inhibiting cancer metastasis.

循环肿瘤细胞(CTC)在血管中的迁移是癌症转移的关键环节，而其内在机制亟待深挖。本项⽬通过构建细胞三维的流固耦合数值模型，实现迁移过程关键参数的遴选，CTC力学异常响应的解析，揭示细胞外流体环境对细胞内纤维结构的重组机制。为实现此目标，项目首先定义CTC骨架纤维的⾮线性多尺度本构模型，采用最新的浸入边界有限元算法，借助细胞与血管壁的黏附作用，构建细胞与多种形状血管的流固耦合模拟。基于应力驱动，分析迁移对CTC纤维结构的重组作用，实现 CTC迁移变形和骨架重组的动态过程。本项目旨在三维数值框架下，集成细胞非线性连续体模型和流固耦合方法，再现动态纤维重组。本研究具有鲜明的学科交叉性，研究结果将对癌症早期检测、病发后分析具有指导意义，并可为切断或抑制癌症转移类药物和介入式治疗等手段提供科学依据。

细胞力学模拟通过数学建模研究细胞的基本力学性质，不仅大大增进了人们对细胞微观机理的认识，而且对解决许多宏观生命问题、发展新型医学技术具有重要的指导和推动作用。本研究基于流固耦合框架建立细胞等生物体材料的力学模型，并将其应用于临床实际问题中，展开了全面的理论、实验及应用研究。研究通过数学建模细胞动态可调控单细胞有效模量的量化，该方案提供一种通过所需的生化、物理和力学刺激下独立和动态地调节细胞微环境的通用平台，它不会产生其他意外的交互影响，可极大促进对各种动态细胞过程的研究。完成基于边界浸渍有限元法的平台搭建并对相关算法进行了分析及优化，应用于肺循环-左心房-二尖瓣流固耦合系统的开发和集成，揭示了心房收缩对静脉波的重要贡献，为肺循环与左心功能之间的相互耦合作用提供有用的见解；探究超声探针诱导流对虹膜振动的力学机制，识别三种不同的动力学模式，剖析虹膜松弛综合症的物理机制。研究提出了双接触模型对细胞Hertz模型进行优化和修正。并自主研发一台微型软组织双轴拉伸测试机，为进一步探究生物软组织材料的力学性能奠定了基础。本报告共发表SCI学术论文4篇，2项专利正在申请中。项目开展的数值计算平台和理论研究模型对细胞力学的相关研究给予诸多理论支持和启发，其延伸和拓展的空间可为今后科研指明方向。